与位域联合为位域成员提供意想不到的价值

Question

我有以下构造，用于获取包含四个 12 位值的 48 位值并提取它们。

struct foo {
    union {
        unsigned __int64 data;
        struct {
            unsigned int a      : 12;
            unsigned int b      : 12;
            unsigned int c      : 12;
            unsigned int d      : 12;
            unsigned int unused : 16;
        };
    };
} foo;

然后使用

分配有问题的数据

foo.data = (unsigned __int64)Value;

Value这里最初是一个double用来存储数据

我在制作位域时的假设是

数据保持变量应该足够大以容纳整个数据和未签名。所以 unsigned __int64 可以容纳 48 位。
每个位域成员的类型都应该足够大以容纳分配给它的无符号位数。
最好让所有位域成员保持同一类型，如果可能的。（以避免对齐问题？）
unused 成员实际上并不需要。

这些正确吗？

测试

Value = 206225551364

我们得到一个 Value 应该包含位

0000 0011 0000 0000 0100 0000 0000 0011 0000 0000 0100‬

这应该导致

a: 0000 0000 0100‬ = 4
b: 0000 0000 0011 = 3
c: 0000 0000 0100 = 4
d: 0000 0000 0011 = 3

但是运行实际返回的值是

a: 4
b: 3
c: 48
d: 0

虽然这些值应该适合 unsigned int 的 ，但切换使用的类型有时会改变值。所以感觉这与数据添加到位域时的解释方式有关。

通过添加#pragma pack(1)，我知道这与对齐有关但不经常遇到，我突然得到了预期值。

struct foo {
    union {
        unsigned __int64 data;
#pragma pack(1)
        struct {
            unsigned int a      : 12;
            unsigned int b      : 12;
            unsigned int c      : 12;
            unsigned int d      : 12;
            unsigned int unused : 16;
        };
    };
} foo;

a: 4
b: 3
c: 4
d: 3

但是接受这个我感觉不舒服。我想了解它，从而确保它确实有效，而不仅仅是看起来有效，例如，当值不占用超过 4 位时。

所以，

为什么我一开始就看到这个问题？
#pragma pack 语句解决问题的作用是什么？
可以推断出这什么时候会成为问题，什么时候不会？是不是因为例如，值是 12 位而不是 8 位或 16 位？

Answer 1

长话短说 - 通过 union 投射数据是未定义的行为，无论您在做什么。所以它的工作和不工作只是偶然的。您唯一可以使用 union 做的事情是阅读您上次写信给的成员。你做了任何其他事情，你的程序就无效了。

编辑：

即使这是允许的，如果没有 #pragma pack，您将依赖于结构内的数据对齐。这可能是 32 位或 64 位。所以在这种情况下，你的结构在内存中看起来真的像这样：

struct {
    unsigned int a      : 12;
    unsigned int a_align: 20;
    unsigned int b      : 12;
    unsigned int b_align: 20;
    unsigned int c      : 12;
    unsigned int c_align: 20;
    unsigned int d      : 12;
    unsigned int d_align: 20;
    unsigned int unused : 16;
    unsigned int unused_align: 16;

};

如果你想从结构中提取一些数据，你应该像这样使用掩码和位移：

unsigned mask12 = 0xFFF;//1 on first 12 least significant bits
unsigned a = data & mask12;
unsigned b = (data >> 12) & mask12;
unsigned c = (data >> 24) & mask12;
unsigned d = (data >> 36) & mask12;

Answer 2

why am I seeing the issue to begin with?

首先，访问联合体的非活动成员具有未定义的行为。但是让我们假设您的系统允许它。

unsigned 大概是 32 位。 a 和 b 适合第一个 unsigned 总共占用 24 位。这个unsigned只剩下8位了。 12 位 c 不适合这个 8 位插槽。因此，它开始一个新的 unsigned 并留下 8 位填充。

这是一种可能的结果。位域布局是实现定义的。在另一个系统上，您可能会看到预期的结果。或者输出与您期望的和您在此处观察到的不同。

What does the #pragma pack statement do that fixes the issue?

它可能更改了布局规则以允许“跨越”多个底层对象的位域。这可能会使访问它有点慢。

Can one deduce when this will become a problem and not?

如果您不尝试跨越底层对象，那么布局是否支持它不会有区别。在这种情况下，您可以简单地使用 64 位底层对象。

这并不是位域布局可能与您预期不同的唯一方式。例如，位域可以是最重要的第一个或最后一个。 unsigned 中的位数本身是实现定义的。

总的来说，bitsets 的布局是不应该依赖的。

How would, what I want to achieve best be done then?

为了避免 UB，您可以创建另一个对象，然后将字节从一个复制到另一个，而不是通过联合进行双关。但首先，您必须确保对象具有相同的大小。可以使用 std::memcpy 或 std::bit_cast.

进行复制

为避免跨接问题，请使用完全填充每个底层对象的位域集。在这种情况下，使用 64 位底层对象。

要获得可靠的布局，首先不要使用位域。 bartop 展示了如何使用班次和面具来做到这一点。（虽然，布局仍然依赖字节序）

与位域联合为位域成员提供意想不到的价值

Union with bitfield gives unexpected value to bitfield members

c++

unions

bit-fields